Журнал «Если», 1995 № 03
Шрифт:
В самом деле, что представляет собой образ Вселенной, какой она предстает на страницах его главного труда, который называется «Математические начала натуральной философии»? Бесконечное, не имеющее границ пустое пространство, где размещены небесные светила. Время, идущее от века, совершенно одинаково во всех уголках этой необъятной Вселенной. Это самая настоящая гипотеза.
Абсолютное время, ставшее теперь универсальной характеристикой Вселенной, вошло в качестве параметра в уравнения классической механики, записанные Ньютоном. И расчеты, выполненные с помощью этих уравнений, стали давать результаты, очень хорошо совпадавшие с тем, что наблюдалось в экспериментах.
Но в конце XIX века появились первые признаки того, что в классической науке не все в полном порядке. Ни в одном из экспериментов не удалось обнаружить эфир — светоносную среду, якобы заполняющую космическое пространство. Не сумели физики объяснить и закономерности излучения нагретых тел в инфракрасной области спектра. «Два последних облачка на ясном небосводе науки», — пожимали плечами ученые в уверенности, что решение вскоре будет найдено. Но они ошибались: из первого «облачка» скоро явилась теория относительности, а из второго — квантовая механика.
Итак, обратимся к Вселенной Эйнштейна. Время перестает быть независимым параметром; чтобы правильно описать мир, надо говорить о едином пространстве-времени. Утратил свой смысл образ ньютоновских часов, которые с абсолютной точностью как бы отмеряли ход времени в самых отдаленных уголках необъятной Вселенной: течение времени для разных космических объектов оказалось зависимым от того, с какой скоростью эти объекты движутся относительно друг друга.
Немало неожиданностей принесла и квантовая механика. Оказалось, что ход времени нельзя считать абсолютно непрерывным: существуют такие маленькие промежутки времени, для которых само понятие этого хода утрачивает смысл. Продолжительность этих промежутков, которые называют планковским временем — в честь Макса Планка, одного из основоположников квантовой механики, — очень мала, всего 1 – 43секунды. При этом масштабе время может останавливаться или даже течь в обратную сторону, утверждают теоретики.
А какое это может иметь значение, могут спросить читатели, разве у нас есть способ добраться когда-нибудь на опыте до таких невообразимо малых промежутков времени? Уже добрались, отвечают физики. Правда, не сразу: сначала теоретики назвали другую величину, тоже очень маленькую: 10 – 22секунды. Если время меняется на столь малую величину, то меняются и связанные с ним характеристики пространства, а значит, и энергия — ведь ее величину можно выразить через координаты и время. Причем из теории следует, что, чем меньше время, тем больше величина соответствующей ему энергии.
10 22секунды — это как раз такая продолжительность времени, при которой энергии хватает, чтобы буквально «из ничего», иными словами, из вакуума возник электрон. Правда, судьба этой частицы-призрака будет незавидной: пройдет еще 10 – 22секунды, и он исчезнет, бесследно растворится в породившем его вакууме.
Я так и думал, скажет нетерпеливый читатель, ни до какой опытной проверки тут не добраться! Это верно, но только отчасти. Заметить такую частицу действительно невозможно: слишком непродолжительно время ее жизни, его не хватает, чтобы она успела вступить во взаимодействие с какими-либо другими стабильно существующими элементарными частицами. Поэтому эти ненаблюдаемые частицы, которые в изобилии порождаются вакуумом, физики назвали виртуальными, т. е. возможными.
Однако вакуум буквально «кипит» такими частицами, и хотя никакую из них невозможно обнаружить по отдельности, все вместе, коллективно они в состоянии повлиять на результат опыта. И эти коллективные свойства «призрачных» виртуальных частиц были действительно обнаружены во многих экспериментах. Вот какими странными свойствами, оказывается, обладает время на малых масштабах!
А теперь вспомним о еще более коротком промежутке времени — планковском времени — 10 – 32секунд. Какой энергии он соответствует? С помощью формул квантовой механики эту величину подсчитать нетрудно — оказывается, этой энергии достаточно, чтобы из вакуума (из «ничего») возникла Вселенная, подобная нашей. Здесь сходятся интересы обеих физических дисциплин — теории относительности и квантовой механики. Решая уравнения Эйнштейна, наш соотечественник
А. А. Фридман показал, что Вселенная возникла около 10 миллиардов лет назад в результате явления, которое физики назвали Большой Взрыв. А поскольку размеры ее были в эти мгновения микроскопически малыми, то исследовать ее свойства на этой стадии следует с помощью методов квантовой механики.
Большой Взрыв оказался той «точкой отсчета», начиная с которой пошло течение времени, возникла, как иногда говорят, стрела времени. Вот только почему она направлена в одну сторону? Если пространство имеет три измерения, то почему у времени только одно? Разобраться в этом вопросе помогла еще одна физическая дисциплина — термодинамика.
С первым законом этой науки — законом сохранения энергии — знакомы все. Сложнее со вторым. Хотя сформулировать его можно очень просто: ни одна печка не разогреется сама собой, если в ней не зажечь дрова…
Чтобы записать этот закон по-науч-ному, физики ввели понятие особой функции состояния — энтропии. Это очень важная функция, она определяет меру упорядоченности всех процессов, которые протекают в окружающем нас мире. Чем больше беспорядка, хаотичности возникает в результате этих процессов, тем более высокой оказывается величина соответствующей им энтропии.
Все это позволяет более точно сформулировать второй закон термодинамики: во всех необратимых процессах, протекающих в закрытых системах, энтропия только возрастает. Оговорка о закрытых системах сделана не случайно: внешние воздействия могут привнести порядок, а значит, снизить величину энтропии.
Это исключительно важный результат: зная, как возрастает энтропия, мы наконец-то получаем ясную возможность различать прошедшее и будущее. Возрастание энтропии определяет направление стрелы времени. Это направление необратимо, так как энтропия — то есть мера беспорядка — может только возрастать. Таким образом, стрела времени есть свойство энтропии, и только ее. Первым обратил на это внимание английский физик А. Эддингтон.
Не злоупотребили ли мы вниманием читателей, уделив так много места тому, что думают об этом физики, позабыв в результате другую, не менее важную сторону проблемы — субъективное восприятие времени? Разобраться в этих вопросах пробовали философы. Иммануил Кант объявил время субъективной формой, необходимой для существования и познания объективного мира. По Г. Гегелю, ход времени определяется самодвижением абсолютного духа. Маркс не согласился с ним и объявил время формой существования материи (заметим, что субъект тем самым лишался какой-либо самостоятельной роли в Универсуме).